DE2428881A1

DE2428881A1 - Halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE2428881A1
Application number: DE2428881A
Authority: DE
Inventors: Toshiro Kobayashi; Tadaharu Tsuyuki; Hajime Yagi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1973-06-13
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1975-01-09
Also published as: US3969747A; FR2233712B1; CA1001772A; GB1477514A; NL7407875A; FR2233712A1; JPS5017180A

Description

It 2924

SONY CORPORATION, Tokyo / Japan

Halbleiterstruktur

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur. Insbesondere betrifft die Erfindung eine für den Aufbau integrierter Halbleiterschaltungen vorteilhafte Halbleiterstruktur.

Eine Vielzahl von integrierten Halbleiterschaltungen erfordern, dass pnp-Transistoren und npn-Transistoren mit unterschiedlichen Leitungsmechanismen auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat untergebracht werden. Der Transistor des einen Leitungstyps wird als Vertikaltransistor bezeichnet und weist die übliche vertikale Anordnung auf_{ vrährend der Transistor des anderen Leitungstyps als Horizontaltransistor bezeichnet wird und eine liegende Bauart aufweist. Durch diese Kombination können in einem Halbleitersubstrat pnp- und npn-Transistoren nach dem gleichen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Der Horizontaltransistor weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, die weiter unten näher beschrieben sind.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterstruktur, insbesondere für integrierte Schaltkreise, zu schaffen, die die Nachteile des Horxzontaltransistors nicht aufweist und ohne Erhöhung der Anzahl der Herstellungsschritte eine Alternativstruktur für Transistoren unterschiedlichen Leitungstyps in einem einzigen Substrat schafft, wobei die Struktur einen ausserordentlich geringen Basiswiderstand und die Charakteristik eines Bipolartransistors haben soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Halbleiterstruktur vorgeschlagen, die erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch eine erste Region eines ersten Leitungstyps, eine zweite Region eines zweiten Leitungstyps, eine dritte Region des ersten Leitungstyps, eine vierte Region des zweiten Leitungstyps, wobei alle vier Regionen an einer der Hauptoberflächen eines Substrats liegen und die vierte Region von der dritten Region umgeben ist»

Gegenstand der Erfindung ist also eine Halbleiterstruktur auf einem Halbleitersubstrat, die eine erste und dritte Region eines ersten Leitungstyps und eine zweite und vierte Region eines zweiten Leitungstyps aufweist. Alle vier Regionen sind so ausgebildet, dass sie einer der Hauptoberflächen des Substrats zugekehrt sind und an dieser liegen. Die vierte Region ist dabei so ausgebildet, dass sie von der dritten Region vollständig umschlossen ist.

Anhand der Zeichnungen sind nachstehend der Stand der Technik und anhand von Ausführungsbeispielen die Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 im vergrösserten Querschnitt eine

Struktur nach dem Stand der Technik;

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Fig. 2 im vergrosserten Querschnitt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung in vergrössertem Maßstab zur Verdeutlichung der Funktionsweise;

Fig. 4 ein der in Fig. 3 gezeigten Struktur entsprechendes Ersatzschaltbild;

Fig. 5 in vergrösserter Darstellung im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild für die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung und

Fig. 7 im Querschnitt eine Halbleiterstruktur zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung der Strukturen der Erfindung.

In die Oberfläche la eines Halbleitersubstrats 1 sind in der Struktur nach dem Stand der Technik (Fig. 1) n-leitende Inselbereiche 3a und 3b eingearbeitet, die durch einen vorzugsweise p-leitenden Isolatorbereich 2 voneinander getrennt sind. Durch selektive Diffusion wird ein p-Bereich 4 im Inselbereich 3a erzeugt. Gleichzeitig werden im anderen Inselbereich 3b ein p-Bereich 5 und ein kreisringförmiger p—Bereich 6, der den p-Bereich 5 umgibt, erzeugt. Die einzelnen Regionen sind in ausreichendem Abstand voneinander angeordnet. In die Oberfläche des p-Bereichs 4 im Inselbereich 3a wird dann selektiv ein n-Bereich 7 diffundiert. Im gleichen Verfahren wird im benachbarten Inselbereich 3i> ein n—Bereich 9* erzeugt. Der n-Bereich 9* liegt vom p-Bereich 5 durch den

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ρ—Bereich 6 getrennt. Der normale vertikale npn-Transistor Trn besteht also aus dem p-Bereich 4 als Basis und dem n-Bereich als Knitter im Inselbereich 3a. Als Kollektor dient der restliche η-Bereich 8 des Inselbereiches 3a. Im anderen Inselbereich 3b dient der p-Bereich 5 als Kollektor (oder Emitter) und der p-Bereich 6 als Emitter (oder Kollektor), während der n-3ereich 9 zwischen den p-Bereichen 5 und 6 als Basis dient. Der η-Bereich 9¹ mit einem relativ niedrigen spezifischen elektrischen YJiderstand dient sum Anschluss der Basiselektrode. Die Anordnung ist also ein pnp-Transistor Trp mit seitlich nebeneinander angeordneten Bereichen, bildet also einen sogenannten Horizontaltransistor. Auf den entsprechenden Bereichen sind die Elektroden 1Oe₁ 10b und 10c für den Emitteranschluss e, den Basisanschluss b und den Kollektoranschluss c für den npn-Transistor Trn. Die elektroden 1OE, 1OB und IOC auf den entsprechenden Bereichen des Inselbereichs 3b dienen dem Emitteranschluss E, dem Basisanschluss B bzw. dem Kollektoranschluss C des pnp-Transistors Trp.

vfenn also ein Transistor Trp in dieser Weise als Horizontaltransistor ausgelegt ist, können beide Transistorentypen durch ein und dasselbe Verfahren hergestellt werden. Die Herstelbng einer solchen Schaltung ist wirtschaftlich ausserordentlich günstig. Wenn beide Transistoren in der vertikalen TJeise ausgebildet sind, weist auch der Inselbereich 3b in den Figuren nicht gezeigte Bereiche auf, die den Bereichen 4 und 7 im Inselbereich 3a entsprechen. Diese Bereiche werden als p-Kollektorbereich bzw. als n-Basisbereich verwendet. Ein p-Emitterbereich muss beispielsweise durch Diffusion in den Basisbereich im Rahmen einer weiteren Verfahrensstufe hergestellt werden. Zur Herstellung einer solchen Struktur ist also mindestens ein zusätzlicher Diffusionsverfahrensschritt erforderlich. Die Anzahl der selektiven Diffusionen ist jedoch für die Massenherstellung

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integrierter Schaltungen ein wesentlicher Faktor. Jede einzelne zusätzlich erforderliche Diffusion erhöht die Kosten der Struktur spürbar.

Ein Horizontaltransistor Trp sollte jedoch zwischen dem Kollektor 5 und dem Emitter 6 zur Erhöhung des Stromverstärkungsfaktors h^ so klein wie möglich sein. Deshalb muss der Basiselektrodenkontakt 1OB ausserhalb des durch den Bereich 6 um den Bereich 5 gebildeten Ringes liegen. Das führt dazu, dass der Horizontaltransistor Trp in unerwünschter Weise einen relativ hohen Basiswiderstand aufweist.

Diese Nachteile des aus dem Stand der Technik bekannten Horizontaltransistors zu umgehen, ist in der zuvor beschriebenen Weise Aufgabe der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. In ein und derselben Basis 1 sind zwei Transistoren unterschiedlichen Leitungstyps eingearbeitet. An einer der Hauptoberflächen des Substrats 1 sind· η-leitende Inselbereiche 3a und 3b erzeugt, die durch einen Isolatorbereich 2 des entgegengesetzten Leitungstyps, in diesem Beispiel also wie in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel des Standes der Technik, durch einen p-Bereich voneinander getrennt sind. Die pn-Übergänge zwischen den Inselbereichen 3a, 3b und der Region werden zur Isolation gegeneinander mit einer Spannung in Sperrichtung beaufschlagt.

Der im Inselbereich 3a gebildete vertikale npn-Transistor Tm weist die gleiche Struktur wie der in Fig_o 1 gezeigte Transistor nach dem Stand der Technik auf. Die in Fig. 2 gezeigten Elemente, die den in Fig. 1 gezeigten Elementen entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Sie sind daher hier nicht noch einmal beschrieben.

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Der Aufbau im Inselbereich 3b weicht jedoch erfindungswesentlich vom bekannten Aufbau ab. An der Oberfläche la des Substrats liegt eine erste Region 11 eines ersten Leitungstyps, p-leitend in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, eine zweite Region 12 eines zweiten Leitungstyps, in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel n-leitend_f eine dritte Region 13 des ersten Leitungstyps (p-leitend) und eine vierte Region des zweiten Leitungstyps (n-leitend). Die zweite Region 12 wird vom Inselbereich 3b selbst gebildet. Die vierte Region ist so ausgebildet, dass sie von der dritten Region 13 nach Art einer Schüssel oder eines Napfes vollständig umschlossen ist. Die erste Region 11 und die dritte Region 12 können gleichzeitig mit der Basis 4 des npn-Transistors Trn unter Beachtung dar erforderlichen Abstände durch selektive Diffusion hergestellt werden. Die vierte Region 14 in der dritten Region 13 wird gleichzeitig und durch denselben selektiven Diffusionsprozess hergestellt wie der Smitterbereich 6 im npn-Transistor Trn.

An der Oberfläche la wird auf der ersten Region 11 eine ohmsche Kollektorelektrode 15c hergestellt. Entsprechend werden auf dem dritten Bereich 13 eine ohmsche Emitterelektrode 15E und auf dem vierten Bereich 14 eine ohmsche Basiselektrode 16B angeordnet. Mit den Elektroden sind die zugeordneten Anschlüsse, nämlich der Kollektoranschluss C, der Emitteranschluss E und der Basisanschluss B, verbunden.

Die zuvor beschriebene Struktur wird in der Weise betrieben, dass man eine negative Spannung an die erste Region 11 anlegt. Dadurch wird der pn-übergang J, - zwischen der ersten Region 11 und der zweiten Region 12 in Sperrichtung vorgespannt und wird ein Signal zwischen dem dritten und vierten Bereich angelegt. In einem pnp-Transistor Trp dieser Bauart wird die dritte Region 13, der p-Bereich, als Emitter betrieben, die vierte Region 14 als Basisbereich und die erste Region 11 als Kollektorbereich. Die Funktionsweise dieser

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Struktur ist im folgenden in Verbindung mit der Fig. 3 näher beschrieben«,

Zum besseren Verständnis der Funktionsweise des Transistors Trp seien in diesem zwei Teiltraneistoren unterschieden. Der in Fig. 3 gezeigte Transistor Trp kann in der in Fig. 4 gezeigten Weise als aus einem npn- Trans is tor Tr-, und einem pnp-Tran3istor Tr- bestehend gedacht werden. Im npn-Transistor Tr-, dient die vierte Region 14 als Emitter, die dritte Region 13 als Basis und die zweite Region 12 als Kollektor, während im pnp-Transistor Tr₂ die dritte Region 13 als Emitter, die zweite Region 12 als Basis und die erste Region als Kollektor dient. Wenn man zwischen den Anschlüssen E und B eine Spannung in Durchlassrichtung anlegt, wird der pnübergang Jo_-1 zwischen der vierten Region 14 und der dritten Region 13 in Durchlassrichtung vorgespannt. Aus der vierten Region 14 werden Elektronen in die dritte Region 13 injiziert. Der Übergang erfolgt durch den pn-übergang J_. in Richtung des in Fig. 3 mit a, bezeichneten Pfeiles. Zwischen der Basis und dem Emitter des Teiltransistors Tr, (Fig. 4) fliesst also ein Strom, der den Teiltransistor Tr₁ durch— schaltet. Die vom Emitterbereich 14 des Transistors Tr, injizierten Minoritätsladungsträger (Elektronen) gelangen in die zweite, n-leitende Region 12 und werden in dieser Region absorbiert. Dieser Minoritätsladungsträgerübergang ist in der Fig. 3 durch den Pfeil a„ dargestellt. In der Region sind die injizierten Elektronen jedoch Majoritätsladungsträger und haben eine entsprechend lange Lebensdauer. Andererseits sind der pn-übergang J₁₂ zwischen der zweiten Region 12 und der ersten Region 11 und der pn-übergang J zwischen der zweiten Region 12 und dem Isolationsbereich in Sperrichtung vorgespannt. Die in den Bereich 12 gelangenden Elektronen gelangen also mühelos in die dritte Region 13 zurück. Von der Region 12 zur dritten Region 13 fliesst also ein Strom I_R2- ^Di^eser Strom I₂ ist jedoch gleichzeitig der

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Basisstrom des Teiltransistors Tr~, der diesen durchschaltet. Die Majoritätsladungsträger im Emitterbereich (dritte Region 13) des Transistors Tr ~ fliessen durch die Basisregion (zweite Region 12) des Transistors Tr₂ in die Kollektorregion (erste Region 11) dieses Teiltransistors. Mit anderen Worten fliesst durch den Transistor Tr₂' ein Kollektorstrom I_c· Der Transistor Trp arbeitet also in der gleichen Weise wie ein pnp-Transistor mit der dritten Region 13 als Emitter, der vierten Region 14 als Basis und. der ersten Region 11 als Kollektor,,

Bei der Herstellung des Transistors Trp der vorstehend beschriebenen Bauweise können die ersten Region 11 und die dritte Region 13 in derselben Diffusionsverfahrensstufe hergestellt werden, in der auch die Basisregion 4 des npn-Transistors Trn hergestellt wird. Die vierte Region 14 des Transistors Trp kann in derselben Diffusionsverfahrensstufe wie der Emitterbereich 6 des npn-Transistors Trn erzeugt werden. Die Struktur der Erfindung kann also mit derselben erforderlichen Zahl an Herstellungsverfahrensstufen bzw. mit derselben verringerten Anzahl der Verfahrensstufen wie die in Fig. 1 gezeigte Struktur nach dem Stand der Technik mit dem pnp-Horizontaltransistor hergestellt werden. Ausserdem ist im Transistor Trp der Erfindung die mit der Basiselektrode 15B versehene vierte Region 14 innerhalb der als Emitterregion dienenden dritten Region 13 angeordnet. Dadurch kann der Abstand zwischen der vierten Region 14 und der zweiten Region 12, die als Basisbereich dient» also der Abstand zwischen der Basiselektrode 15B und dem eigentlichen effektiven Basisbereich 12, ganz wesentlich verkürzt werden. Der Basiswiderstand, bzw. genauer gesagt der Basisbahnwider äand, kann dadurch also ganz wesentlich vermindert werden.

Wenn in der Struktur der Erfindung die dritte Region 13 eine nur relativ geringe StörStellenkonzentration aufweist.

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wird in dieser Region 13 für die Minoritätsladungsträger eine relativ grosse Diffusionslänge erhalten. Der Transportwirkungsgrad der Minoritätsladungsträger in der Region 13 kann also spürbar erhöht werden. Es kann dadurch also der Strom I „ gegenüber dem Strom I , ausreichend gross gehalten werden, so dass dieser praktisch unwirksam wird. Man erhält dadurch einen Transistor mit hohem Stromverstärkungsfaktor

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf den Fall, dass in Strukturen nach dem Stand der Technik der Vertikaltransistor ein npn-Transistor ist_o Die Struktur der Erfindung kann jedoch gleicherweise auch selbst als npn-Transistor ausgebildet sein. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 5 gezeigt. Die einzelnen Elemente der in Fig. 5 gezeigten Struktur, die den in der Fig. 2 gezeigten Struktur entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Sie sind daher an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben

In dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Struktur der Erfindung ist im Inselbereich 3a eine zweite Region 22 ausgebildet, die vom Material der Inselregion 3a selbst gebildet wird. Die erste Region 21 und die dritte Region 23, beide p-leitend, werden in der gleichen Weise und zur gleichen Zeit wie die erste Region 11 und die dritte Region 13, die ebenfalls p-leitend sind, im Transistor Trp hergestellt. An einer Stelle der dritten Region 23 ist eine vierte Region 24, die η-leitend ist, angeordnet. Diese vierte Region 24 wird zur gleichen Zeit und in der gleichen Weise wie die vierte Region 14, die ebenfalls η-leitend ist, im Transistor Trp hergestellt. In der zweiten Region 22 ist weiterhin ein Bereich 26 mit geringem elektrischen Widerstand ausgebildet, auf den eine Elektrode aufgebracht wird. Der niederohmige Bereich 26 wird gleichzeitig mit der Bildung der Regionen 14 und 24 hergestellt.

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Zur Herstellung eines npn-Transistors Tm, in dem die vierte Region 24 als Kollektor dient, die zweite Region 22 als Emitter dient und die erste Region 21 als Basis dient, werden an der Oberfläche la auf der vierten Region 24 eine ohmsche Kollektorelektrode 25c,auf der niederohmigen Region 26 der zweiten Region 22 eine ohmsche Emitterelektrode 25e und auf der ersten Region 21 eine Basiselektrode 25b aufgebracht. Mit diesen Kontakten sind die entsprechenden Anschlüsse verbunden, nämlich der Kollektoranschluss c, der Basisanschluss b und der Emitteranschluss e. Eine Ersatzschaltung für diesen npn-Transistor Tm ist in Fig. 6 gezeigt. Der in Fig. 5 gezeigte npn-Transistor Tm kann als aus einem pnp-Teiltransistor Tr-, und einem npn-Tei!transistor Tr₂ bestehend gedacht v/erden. Der pnp-Teiltransistor Tr, weist einen ersten p— Bereich 21 als Emitter, einen zweiten n-Bereich 22 als Basis und den dritten p-Bereich 23 als Kollektor auf. Der npn-Teiltransistor Tr- weist den zweiten n-Bereich 22 als Emitter, den dritten p-Bereich 23 als Basis und den vierten n—Bereich als Kollektor auf. Der so zusammengesetzte npn-Transistor Trn arbeitet also in der gleichen Weise wie zuvor mit umgekehrter Polarisation für den Transistor Trp im Zusammenhang mit dem Figuren 3 und 4 beschrieben wurde. Es wird also ein üblicher npn-Bipolartransistor mit der gewohnten Charakteristik erhalten.

Bei Verwendung des Transistors Trn wird ein weiterer Vorteil dadurch erhalten, dass im Vergleich zur Verwendung des normalen npn-Vertikaltransistors der im Zusammenhang mit der Fig. 2 beschriebenen Art die Streukapazität zwischen dem Kollektorbareich und dem Isolationsbereich 2 spürbar vermindert werden kann.

Zur Herstellung eines entsprechenden integrierten Schaltkreises mit zwei komplementären Horizontaltransistoren wird in der in Fig. 7 gezeigten Art von einem p-leitenden Substrat 30 ausgegangen, das den Isolationsbereich 2 bildet. An einer

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der Hauptflächen des Substrats werden durch selektive Diffusion niederohmige Regionen 3a¹ und 3b⁴ angelegt. Auf diesen Bereichen wird zur Herstellung der Substratscheibe 1 epitaktisch eine η-leitende Halbleiterschicht 31 aufgewachsen. In dieser Halbleiterschicht 31 und durch diese von ihrer Oberseite her hindurch werden die p-dotierten Störstellenbereiche angelegt. Dabei werden also der Isolationsbereich und die durch diesen Isolatxonsbereich 2 getrennten Inselbereiche 3a und 3b hergestellt. In diesen Inselbereichen 3a und 3b können dann in der zuvor beschriebenen Weise die Transistoren Trn und Trp hergestellt werden. Auf der Substratscheibe kann schliesslich eine Isolatorschutzschicht 32, die vorzugsweise aus SiO , besteht, aufgebracht werden.

Die vorstehenden Beispiele sind in der Weise beschrieben, dass der Isolatxonsbereich 2, die ersten Bereiche 11 bzw. 21 und die dritten Bereiche 13 bzw. 23 p-leitend sind, während die Inselbereiche 3a und 3b sowie die vierten Bereiche 14 bzw. 24 η-leitend sind. Die Strukturen können jedoch gleicherweise mit durchgehend vertauschter Polarität hergestellt werden.

Weiterhin wird in den zuvor beschriebenen Beispielen davon ausgegangen, dass die Inselbereiche 3a und 3b durch den Halbleiterisolationsbereich 2 unter Ausbildung einer pn-Sperr— schicht voneinander getrennt werden. Die Trennung der Inselbereiche kann jedoch nur auf einer Seite durch eine pn-Sperrschicht und auf der anderen Seite durch einen Isolator oder kann ausschliesslich unter Verwendung von Isolatormaterial oder in sonstwie geeigneter Art erfolgen.

Nach Kenntnisnahme der Beschreibung kann der Fachmann ohne erfinderisches Zutun die Erfindung jeweiligen Spezialfallen anpassen und vielfältig variieren.

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Claims

Patentansprüche

( 1.JHalbleiterstruktur, gekennzeichnet durch eine erste Region eines ersten Leitungstyps, eine zweite Region eines zweiten Leitungstyps, eine dritte Region des ersten Leitungstyps, eine vierte Region des zweiten Leitungstyps, wobei alle vier Regionen an einer der Hauptoberflächen eines Substrats liegen und die vierte Region von der dritten Region umgeben ist.
2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite, dritte und vierte Region einen Horizontaltransistor bilden.
3. HalbleiterStruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen integrierten Schaltkreis mit Komplementärtransistoren aus einem Vertikaltransistor und einem Horizontaltransistor bildet.
4. Halbleiterstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Komplementärteiltransistoren Horizontaltransistoren (Fig. 7) sind.

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